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1、第三章 電動汽車驅動系統(tǒng) 3.1 電動車用電機及控制器 電機是電動汽車驅動系統(tǒng)的核心 高效率 、 寬調速 、 高密度 轉矩響應迅速 制動能量回饋 Torque-speed characteristics DC motors S p e e d S e p a ra t e l y e x c i t e d or s h unt S e ri e s C um ul a t i v e c om p ou nd T o rq ue S e pa r a tel y e x c i ted S h u n t S e r i e s C u m u l a ti v e c om po u n
2、d Fig. 5-10 Wound-field dc motors. Fig. 5-11 Torque-speed characteristics of wound-field dc motors. aaaa RInKRIEU E T=KT Ia 車用直流電動機特性類型的選擇 : (1)串勵 直流 電動機機械 特性硬，適合車輛拖動。早期 用途廣泛。但制動回饋、轉速、重量、效率、維護等 問題，車用越來越少。 (2)他勵 直流 電動機曾經在 車輛拖動中應用廣泛。但讓 位于效率更高的永磁有刷電機（缺點： 勵磁恒定） (3)永磁無刷電機，轉速高、效率高、重量輕、 調速 方便。近年大量使用。 開關磁阻電
3、機 (switched reluctance drive system) 電機結構簡單、堅固、維護方便甚至免 維護 啟動及低速時轉矩大、電流小 ; 高速恒功率區(qū)范圍寬、性能好， 在寬廣轉速和功率范圍內都具有高效率 3.2開關磁阻電機（ SRD）原理 8/6極開關磁阻電動機結構圖 8/6極開關磁阻電動機控制方案 定、轉子的相對位置作為起始位置，依 次給 ABCD 相繞組通電，轉子即會 逆著勵磁順序以逆時針方向連續(xù)旋轉； 反之，依次給 DCBA 相通電，則電 動機會順時針方向轉動。開關磁阻電動 機的轉向與相繞組的電流方向無關，只 取決于相繞組通電的順序 開關磁阻電動機特點 1. 系統(tǒng)效率高 開關磁
4、阻電動機調速系統(tǒng)在其寬廣的調速范圍內，整體 效率比其它調速系統(tǒng)高出至少 10%。在低轉速及非額定 負載下高效率更加明顯。 2. 低速下可長期運轉 開關磁阻電動機調速系統(tǒng)在整個調速范圍內均可帶負荷 長期運轉，電機及控制器的溫升均低于工作在額定負 載時的溫升。 3. 高起動轉矩，低起動電流 開關磁阻電動機調速系統(tǒng)起動轉矩達到額定轉矩的 150% 時，起動電流僅為額定電流的 30%。 3.3三相異步電機的工作原理 Induction Motor 1.三相異步電機結構 機殼 定子繞組 1.定子部分 : 定子鐵心 接線盒 端蓋 軸承 轉子繞組 2.轉子部分 轉子鐵心 軸 三相異步電機工作原理 三相異步電
5、機結構 三相異步電機轉子結構 2.異步電機的 工作原理 定子繞組通入三相交流電流 旋轉磁場 切割轉子繞組 轉子繞組產生感 應電勢 轉子中產生感應 電流 轉子電流與 磁場作用 產生電磁轉矩 運轉 3.三相電機旋轉磁場 電動機的 旋轉原理 旋轉磁場 產生的條 件 旋轉磁場 原理 極對數的形成規(guī)律 三相電機旋轉磁場 電動機的旋轉原理 旋轉磁場產生的條 件 旋轉磁場 原理 極對數的形成成規(guī) 律 三相電機旋轉磁場 電動機的 旋轉原理 旋轉磁場產生的條 件 旋轉磁場 原理 極對數的形成規(guī)律 三相對稱繞組： 互差 120度空 間電角度。 三相對稱電源： 互差 120度時 間電角度。 三相電機旋轉磁場 電動機
6、的 旋轉原理 旋轉磁場 產生的條 件 旋轉磁場 原理 極對數的形成 規(guī)律 電動機的 旋轉原理 旋轉磁場 產生的條 件 旋轉磁場原理 極對數的形成規(guī)律 電動機的 旋轉原理 旋轉磁場 產生的條 件 旋轉磁場原理 極對數的形成規(guī)律 電動機的 旋轉原理 旋轉磁場 產生的條 件 旋轉磁場原理 極對數的形成規(guī)律 三相電機旋轉磁場 電動機的 旋轉原理 旋轉磁場 產生的條 件 旋轉磁場 原理 極對數的形成規(guī)律 4.基本概念 1.旋轉磁場的 方向 由相序決定、改變相序 就可改變三相異步電機的轉向 . 旋轉磁場的 轉向 1.旋轉磁場的軸線總是與電 流達到正的最大值的那一 相繞組的軸線重合 . 2.三相對稱電流相序
7、為 U-V- W. 3.合成磁場的軸線依次由 U 相軸線轉到 V相軸線再到 W 相軸線 . 軸線U 軸線V軸線W 2.旋轉磁場的 轉 速 與電源頻率成正比，與 極對數成反比 . 旋轉磁場的 速度 P=2 P=1 1.旋轉磁場的旋轉速度稱同步轉速 .n 1表示 . 2. n1= 單位轉 /分 . 3.同步轉速與頻率成正比 , 與極對數成反比 . 4.同步轉速成“有級” . P=1 n1=3000 P=2 n1=1500 (f1=50HZ) P f160 3. 空間電角度、空間角度、時間電角度 360度空間 角度。 720度空間 電角度。 360度空間 角度。 360度空間 電角度。 以時間軸為
8、坐標。 一個周期為 360度。 4.旋轉磁場的幅值 結論：合成磁勢 的幅值是不變的。 5. 轉差與轉差率 1.異步 :從異步電機的工作原 理可知 ,相對的切割運動是產 生感生電勢及感生電流的關 鍵 . 2.對于電動運行的異步電機 而言 ,同步速度與轉子轉速總 存在著差 ,稱轉差 . 3 . 4.轉差率 : nnn 1 %100%100 1 1 1 n nn n nS 三相異步電機變頻調速原理 交流電動機的同步轉速表達式： n 60 f(1 s)/P 式中 n：異步電動機的轉速； f ：異步電動機的頻率； s ： 電動機轉差率； P ： 電動機極對數。 轉速 n與頻率 f成正比，只要改變頻率 f
9、即可改 變電動機的轉速 實際上僅僅改變電動機的頻率并不能獲得良好的變頻 特性。由異步電機的電勢公式可知，外加電壓近似與 頻率和磁通乘積成正比，即： U E=C1f 式中， C1為常數，因此有： E/fU/f 若外加電壓不變，則磁通 隨頻率而改變，如頻率 f下 降，磁通 會增加，造成磁路過飽和，勵磁電流增加， 功率因數下降，鐵心和線圈過熱，顯然這是不允許的。 為此，要在降頻的同時還要降壓，這就要求頻率與電 壓協(xié)調控制。此外，為了保持在調速時，電機產生最 大轉矩不變，需要維持磁通不變，這可由頻率和電壓 協(xié)調控制來實現(xiàn)，故稱為可變頻率可變電壓調速 (VVVF)，簡稱變頻調速。 1) U/f=C的正弦
10、脈寬調制 (SPWM)控制方式 控制電路結構簡單、成本較低 機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑 調速要求 在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻 壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小 另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài) 轉矩能力和靜態(tài)調速性能都還不盡如人意 系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化， 轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定 子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，穩(wěn) 定性變 2) 電壓空間矢量 (SVPWM)控制方式 它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼 近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的， 一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近 圓的方式進行
11、控制的。 進一步改進：引入頻率補償，消除速度控制 的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速 時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)， 以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。 控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉矩的調節(jié)， 所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。 3）矢量控制 (VC)方式 矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異 步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別 對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制， 從而達到控制異步電動機轉矩的目的。 具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生 磁場的電流分量 (勵磁電流 ) 和產生轉矩的電流 分量 (轉矩電流 ) 分別加以控制，并同時控制兩 分量間的幅值和相位，即控制定
12、子電流矢量，所 以稱這種控制方式稱為矢量控制方式 其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別 對轉矩，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制 轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場 兩個分量，經坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。 由于矢量控制方式所依據的是準確的被控異步 電動機的參數，有的通用變頻器在使用時需要 準確地輸入異步電動機的參數，有的通用變頻 器需要使用速度傳感器和編碼器。目前新型矢 量控制通用變頻器中已經具備異步電動機參數 自動檢測、自動辨識、自適應功能，在驅動異 步電動機進行正常運轉之前可以自動地對異步 電動機的參數進行辨識，并根據辨識結果調整 控制算法中的有關參數。 矢量控制在實際
13、應用中，由于轉子磁鏈難以準 確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數的影響較大， 且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉 變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理 想結果。 （安川、 ABB、西門子） 4）直接轉矩控制 (DTC)方式 直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動 機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。 采用離散的兩點式調節(jié)器，把轉矩檢測值與轉矩 給定值作比較，使轉矩波動限制在一定的容差范 圍內，容差的大小由頻率調節(jié)器來控制，并產生 PWM脈寬調制信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進 行控制，以獲得高動態(tài)性能的轉矩輸出。 它的控制效果不取決于異步電動機的數學模型是 否能夠簡化，而是取決于轉矩的實
14、際狀況， 它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因 而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它 不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解 耦而簡化交流電動機的數學模型 控制結構簡單、控制信號處理的物理概念明確、 系統(tǒng)的轉矩響應迅速且無超調，是一種具有高 靜、動態(tài)性能的交流調速控制方式。 是低速時轉矩脈動大 ，在啟動控制上要采用其 它方案 IM Control PM Motor PM motor for EVs PM motor configuration 3 phase supply stator 3 phase winding PM rotor Rotor Configuration (Con
15、td) Fig. 5-42 Special rotor of a PM synchronous motor. Rotor core PM (NdFeB) Shaft N S N N N S S S D -a x i s Q -a x i s N o n -m a g n e t i c w e d g e PM A i r s l o t N o n -m a g n e t i c s h a ft PM Motor Control Coordinate Conversion Coordinate Conversion PWM Inverter Current Control Torque
16、Control Position Sensor Speed Sensor 項目內容 直流電機 交流電機 永磁電機 開關磁阻 比功率 低 中 高 較高 可靠性 一般 好 優(yōu) 好 結構堅固 性 差 好 一般 優(yōu) 外形大小 大 中 小 小 目前成本 較高 低 高 較高 控制器成 本 低 較高 較高 一般 電動機 直流 永磁 開關磁阻 感應 最高效率 85 89 95 97 90 91 94 負載效率 80 87 73 82 - 93 94 最高轉速 (r/ min) 4000 6000 4000 10000- 15000 以 上 9000 15000 成本 / 單 位軸功率 20 30 5 20 -
17、 2. 75 5 控制器的 相對成本 1 3. 7 6. 0 4 10 2. 5 3. 0 電機的牢 固性 好 好 優(yōu) 優(yōu) 日豐田公司對電動車電機的評 價 直流電動機 感應電動機 永磁電動機 控制性 很好 好 很好 可靠性 一般 很好 好 效率 一般 好 很好 體積 一般 好 很好 成本 很好 好 一般 Key Technology Powertrain Electric Motor and Control System: Power : 5-150 kW Power Density 1.2 kW/kg Motor efficiency 93% (50% operating range at about 85%) Ambient Working Temperature : 40oC - 70oC Power Electronics Efficiency 95% Motor Drive System Overall Efficiency 90% Motor Drive System Life 200,000 km 匹配問題 ? 動力要求 ?
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